전자 피부: 기술 환경과 혁신

트렌드 1: 신축성 있고 유연한 E 스킨 

기술 개요 

기존의 전자 피부는 늘어나면 감지 정확도가 떨어져 움직이는 신체나 로봇 팔다리에 적용하기 어렵습니다. 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 연구진은 변형된 상태에서도 일정한 압력 감지 성능을 유지하는 신축성 전자 피부를 개발했습니다.

이 소재는 정전용량식과 저항식 감지를 하이브리드 압력 센서에 결합하여 로봇 손이 부드러운 물체를 으깨지 않고도 감지할 수 있도록 합니다. 연구팀은 이 전자피부를 로봇 간호사와 수색 및 구조 로봇에 사용할 계획입니다. 이와 동시에 MIT 엔지니어들은 초박형 전자 재료 "피부"를 성장시키고 벗겨내는 방법을 개발했습니다. 이 시연을 통해 원적외선에 매우 민감한 10나노미터 두께의 초전막이 제작되었습니다.

냉각이 필요 없기 때문에 이 필름은 가벼운 야간 투시경과 유연한 센서 제작에 활용될 수 있습니다. 원격 에피택시(remote epitaxy)를 기반으로 하는 박리 및 적층 공정은 초박막 필름의 반복 생산을 가능하게 합니다. 이러한 발전은 신축성 기판과 초미세 두께 필름이 eSkin을 더욱 다재다능하고 착용하기 쉽게 만드는 방식을 보여줍니다. 

혁신 촉매제 

• 로봇공학 및 보조 치료: 늘어나는 전자피부를 장착한 로봇은 환자의 맥박을 확인하거나 깨지기 쉬운 물건을 다루는 등 섬세한 작업을 수행할 수 있으며, 간병인 부족 문제를 해결하고 원격 의료를 실현할 수 있습니다. 

• 경량 센서: 초박형 열전기 필름은 무게를 줄이고 부피가 큰 냉각 부품을 없애 휴대용 야간 투시경과 환경 센서를 개발하는 길을 열어줍니다. 

• 반복 가능한 제조: 원격 에피택시와 필 앤 스택 기술을 사용하면 기판을 재사용할 수 있고 나노미터 크기의 필름을 고수율로 생산할 수 있습니다. 

• 하이브리드 감지: 용량성과 저항성 반응을 결합하면 늘어나도 정확도가 높아지고 장치가 압력 감도를 유지할 수 있습니다. 

주요 참여자 및 혁신 

• 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스: 변형되어도 정확한 힘 감지가 가능한 하이브리드 압력 센서를 탑재한 신축성 전자 피부를 개발했습니다. 

• MIT 및 위스콘신 대학교: 적외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 높은 감도를 갖고 냉각이 필요 없는 10nm 열전 필름을 시연하여 가벼운 야간 투시 장치를 구현했습니다. 

• Huaweike Intelligent Technology(중국): ~100개의 마이크로 감지 지점을 포함하는 전자 피부로 덮인 로봇 손을 제작했습니다. 회사는 10g에서 XNUMXg까지의 감지 감도를 개선했습니다. 1g 광범위한 연구개발을 거쳐 강력해짐. 

• 화중과학기술대학교 및 화웨이커: 대학 연구자와 산업계를 통합하여 혼합 세력 모델을 통해 협업하여 소재 및 제조 혁신을 가속화합니다. 

인수 및 협력 

• UT 오스틴 연구원들 늘어나는 전자 피부에 대한 임시 특허를 출원했으며, 이 기술을 상용화하기 위해 로봇 회사와 협력을 모색하고 있습니다. 

• MIT 팀 위스콘신 대학과 다른 기관들과 협력하여 열전기 필름을 개발했습니다. 이 방법은 다른 반도체 재료에도 일반화할 수 있습니다. 

• 화웨이케 재료 및 장비 문제를 극복하기 위해 Huazhong University와 협력하여 롤투롤 인쇄를 통해 내구성 있는 전자 스킨을 생산했습니다. 

트렌드 2: 자가 치유 및 내구성이 뛰어난 E-Skin 

기술 개요 

• 내구성은 실용적인 전자 피부 개발의 주요 걸림돌이었습니다. 테라사키 바이오메디컬 혁신 연구소(Terasaki Institute for Biomedical Innovation)의 연구원들은 손상 후 몇 초 안에 스스로 복구되는 자가 치유 전자 피부를 개발했다고 보고했습니다. 이 전자 피부는 80초 이내에 기능의 10% 이상을 회복하는데, 이는 기존 자가 치유 소재가 몇 분 또는 몇 시간씩 걸렸던 것과는 비교할 수 없을 정도로 향상된 성능입니다.
• 이 소재는 초고속 자가 회복 기능과 극한 환경에서의 안정적인 성능을 결합했으며, 인공지능 기반 건강 모니터링 기능을 탑재했습니다. 피로와 근력을 실시간으로 감지하여 운동, 재활 및 일상 건강 모니터링에 활용할 수 있습니다. 

혁신 촉매제 

• 빠른 자체 수리: 초고속 치유는 착용형 전자기기의 취약성을 해결하고 치료 중 일관된 작동을 보장합니다. 

• AI 기반 진단: AI 알고리즘을 통합하여 자가치유형의 전자피부가 피로와 근력을 감지해 개인화된 건강 관리가 가능합니다. 

• 환경 탄력성: 이 기술은 수중이나 온도 변화와 같은 까다로운 조건에서도 작동하므로 스포츠에서의 유용성이 더욱 커졌습니다. 

• 사용자 요구: 실시간 피로 및 스트레스 모니터링에 대한 관심이 커지면서 내구성이 뛰어나고 자가치유 기능이 있는 웨어러블 기기 개발이 촉진되고 있습니다. 

주요 참여자 및 혁신 

• 테라사키 생물의학 혁신 연구소: 몇 초 안에 스스로를 복구하고 피로에 대한 AI를 통합한 자가 치유형 전자 피부를 개발했습니다. 

• Science Advances 연구팀: 80초 이내에 기능의 10%를 회복하고 극한 상황에서도 성능을 유지하는 자가치유형의 전자 피부를 시연했습니다. 

인수 및 협력 

• 이 연구는 여러 기관의 협업을 통해 이루어졌으며, Science Advances에 게재되었습니다. 웨어러블 기기 제조업체와의 추가 파트너십이 예상됩니다. 

트렌드 3: 멀티모달 및 AI 통합 E-Skin 

기술 개요 

인간의 피부는 압력, 온도, 전단력, 그리고 통증을 동시에 감지할 수 있습니다. 이러한 다중 모드 감지 기능을 전자 기기에 구현하려면 다양한 센서 유형을 결합하고 방대한 데이터 스트림을 처리해야 합니다. 유니버시티 칼리지 런던(UCL)과 케임브리지 대학교의 연구진은 단일 다중 모드 센서 역할을 하는 저렴하고 내구성이 뛰어난 로봇 피부를 개발했습니다.

압력, 온도 또는 손상 감지를 위한 별도의 센서를 내장하는 대신, 하이드로젤 기반 피부 전체가 전도성을 띠고 머신러닝 알고리즘을 통해 다양한 유형의 촉각을 구분할 수 있습니다. 실험 결과, 손목에 부착된 32개의 전극이 손 전체에서 1.7만 개 이상의 데이터 포인트를 수집했습니다.

연구팀은 이 데이터를 사용하여 두드림, 열, 베임, 그리고 여러 접촉 지점을 식별하는 모델을 학습시켰습니다. 이러한 다중 모드 E스킨은 제작 과정을 간소화할 뿐만 아니라 AI 알고리즘에 풍부한 감각 데이터를 제공합니다. 

혁신 촉매제 

• 단순화된 아키텍처: 소재 전체를 센서로 바꾸면 별도의 모듈이 필요 없어지고 복잡성과 비용이 줄어듭니다. 

• 머신 러닝 통합: AI 모델은 다중 모드 신호에서 다양한 자극을 분류하여 로봇이 복잡한 촉각 정보를 해석할 수 있도록 합니다. 

• 고밀도 데이터: 수십만 개의 데이터 포인트를 통해 압력 분포와 물체 인식을 세부적으로 매핑할 수 있습니다. 

• 다양한 애플리케이션: 다중 모드 E스킨은 보철물, 인간형 로봇, 자동차 안전 및 재난 구호 로봇을 개선할 수 있습니다. 

주요 기업 및 혁신 

• UCL 및 케임브리지 대학교: 다중 모드 전도성 하이드로젤 피부를 개발했습니다. 머신 러닝을 사용하여 다양한 터치를 구분하고 860,000개 이상의 경로를 통합했습니다. 

• 테라사키 연구소 및 기타: 자체 치유 기능이 있는 e스킨에는 건강 모니터링을 위한 AI가 통합되어 있습니다.

• AI 통합 웨어러블 센서 커뮤니티: 리뷰에서는 머신 러닝이 웨어러블 스트레인 센서의 데이터 분석 및 진단을 향상시켜 조기 감지 및 개인화된 건강 모니터링을 가능하게 하는 방식을 강조합니다. 

인수 및 협업 

• UCL-케임브리지 프로젝트 삼성의 글로벌 연구 지원 프로그램과 영국의 공학 및 물리과학 연구 위원회의 지원을 받았습니다. 

• 재료 과학자와 AI 연구자 간의 협업을 통해 다중 모드 전자피부 개발이 가속화되고 있습니다. 

트렌드 4: 자기 수용 및 에너지 효율적인 E-Skin  

기술 개요  

• 전자 피부는 촉각 감지를 넘어 자기장 감지 및 기타 감각 방식으로 확장되고 있습니다. 헬름홀츠 드레스덴 로센도르프 센터(HZDR) 연구진은 단일 글로벌 센서로 자기장을 감지하고 정확한 위치를 파악할 수 있는 자기 수용형 전자 피부를 개발했습니다..
• 피부는 자기 감지층이 있는 얇고 투명한 천공된 막으로 이루어져 있으며, 자기 저항의 변화는 단층촬영을 사용하여 중앙 장치에서 처리되어 자기 신호의 위치를 재구성합니다.
• 멤브레인 전체가 센서 역할을 하므로, 이 시스템은 전자 부품 수를 줄여 에너지 소비와 무게를 줄입니다. 이 기술은 기기와의 비접촉식 상호작용을 가능하게 하며, 수중이나 극한 환경에서도 작동할 수 있습니다. 

혁신 촉매제 

• 비접촉 인터페이스: 자기 수용형 전자 피부는 가상 현실이나 수중 환경에서 비접촉 상호작용을 가능하게 합니다. 

• 에너지 효율: 글로벌 센서 표면과 단층촬영을 사용하면 여러 개의 센서와 배터리가 필요 없게 됩니다. 

• 투과성 및 편안함: 얇고 통기성이 좋은 막으로 피부 아래 부분이 숨을 쉴 수 있어 착용감이 향상되었습니다. 

• 견고성 : 자기 감지는 전기적 간섭을 덜 받기 때문에 복잡하거나 시끄러운 환경에서 작업하는 로봇에 적합합니다. 

주요 기업 및 혁신 

• 주파수대역: 단일 센서로 자기장을 감지하고 단층촬영을 사용하여 신호를 처리하는 가볍고 투명한 에스킨을 도입했습니다.

• 파블로 마쿠슈코 & 데니스 마카로프: 연구를 주도하고 E스킨이 피부와 뇌의 상호작용을 어떻게 모방하는지 밝혔습니다. 

• 애플리케이션 개발자: 이 기술은 가상현실 장갑, 수중 스마트폰, 로봇공학 등에 새로운 가능성을 열어줍니다. 

인수 및 협업 

• HZDR 팀은 학계 파트너와 협력하여 자기 수용 피부의 규모를 확장하고 상용화를 모색합니다.. 

트렌드 5: 시장 성장 및 산업 도입  

기술 개요  

Eskin 제품은 실험실 시연에서 상용 기기로 전환되었습니다. 전자 패치는 건강 모니터링 및 만성 질환 관리에 널리 사용되면서 현재 매출의 대부분을 차지하고 있습니다. 시장 분석에 따르면 넓은 신체 부위를 덮고 전신 모니터링이 가능한 전자 스킨 슈트가 재활 및 스포츠 활동 지원에 가장 빠른 성장을 보일 것으로 예상됩니다.

근육, 신경, 심장의 전기적 활동을 측정하는 전기생리학적 센서가 가장 큰 매출 점유율을 창출하는 반면, 생화학적 모니터링을 위한 바이오센서는 가장 빠르게 성장하는 분야입니다. 전기활성 폴리머와 같은 부품은 유연성과 견고성을 제공하며, 신축성 회로는 복잡한 체형에 맞춰 변형 가능한 장치를 구현할 수 있도록 합니다. 

혁신 촉매제 

• 의료 수요: 만성 질환의 증가와 원격 모니터링의 필요성으로 인해 E스킨 패치 사용이 늘어나고 있습니다. 

• 스포츠 및 재활: 전신 에스킨 슈트는 움직임과 근육 활동을 실시간으로 측정하여 운동 성능과 재활을 향상시킵니다. 

• 재료 혁신: 전기 활성 폴리머와 신축성 회로는 유연성과 내구성을 향상시킵니다. 

• 새로운 애플리케이션: 에스킨은 약물 전달 시스템, 화장품, 로봇공학, 가전제품 분야에서 역할을 찾아 다양한 수익원을 창출하고 있습니다. 

주요 기업 및 혁신 

• MC10 주식회사: 생체 신호 모니터링과 수분 공급 모니터를 위한 BioStamp RC 착용형 패치를 생산합니다. 

• 주식회사 제노마: 의류에 센서를 통합한 eskin Sleep & Lounge 의류와 eskin EMStyle 트레이닝복을 제공합니다. 

• 주식회사 비바엘엔케이: 스트레스와 발열을 모니터링하기 위한 Vital Scout와 Fever Scout 패치를 출시하고, Reckitt Benckiser와의 파트너십을 통해 전 세계적으로 연속 온도 모니터를 공급합니다. 

• 젠태그 주식회사: NFC 스킨 패치와 무선 스킨 센서를 개발합니다.

• 블룸라이프: 수축을 모니터링하는 스마트 임신 추적기를 제공합니다. 

• 다이얼로그 세미컨덕터: eskin 기기용 저전력 Bluetooth SoC와 무선 충전 집적 회로를 공급합니다. 

• Rotex Inc., Intelesens Ltd., Immageryworks Pty Ltd, Plastic Electronic GmbH: 건강 및 산업 분야에 걸쳐 패치와 유연한 센서를 제공합니다. 

• 화웨이케: 롤투롤 인쇄를 사용하여 민감한 전자피부를 대량 생산함으로써 로봇 손에서 풍력 터빈의 얼음 감지에 이르는 다양한 응용 분야를 구현할 수 있습니다. 

인수 및 협업 

• VivaLNK 및 Reckitt Benckiser: 전 세계적으로 발열 모니터링 패치를 배포하기 위한 파트너십을 체결했습니다. 

• Huaweike 및 Huazhong 대학교: 재료 문제를 극복하고 인쇄 장비를 개발하기 위해 산학연이 협력하는 팀을 구성했습니다. 

• 다기관 제휴: 많은 e스킨 혁신은 대학, 연구 기관, 기업 간의 협업을 통해 이루어졌습니다. 그 예로는 초박막 필름에 관한 MIT-UW 파트너십, 삼성과 영국 EPSRC가 자금을 지원한 UCL-Cambridge 프로젝트가 있습니다.